（王立志，中國科學技術(shù)大學，核能科學與工程）

    前言：

核能是解決未來能源問題的關(guān)鍵，其中乏燃料問題是核能發(fā)展所面臨的問題之一。今天在這里整理一下核燃料從使用到處置的過程，讓您分分鐘了解核燃料。 

    1.什么是乏燃料

反應(yīng)堆內(nèi)部其實和燒水差不多。堆芯就像是一個巨型的“熱得快”。 ▼

只不過“熱得快”是靠通電加熱，“燒”的是電；堆芯是靠復雜的核反應(yīng)加熱，“燒”的核燃料，主要成分是鈾元素。“燒”的過程就是成千上萬的小中子，打在燃料上，燃料發(fā)熱了。▼

核燃料被做成一段一段的，稱為燃料芯塊。▼

但是芯塊不是直接放在反應(yīng)堆內(nèi)的，而是一個接一個連成棒，用金屬包住，做成燃料棒。▼

做成棒狀是不是和“熱得快”長得像好多了。外面這層金屬稱為燃料包殼，成分為金屬鋯。

但是那么大個的反應(yīng)堆，只放幾根燃料棒不過癮，因此把燃料棒捆到一起，組成燃料組件。一個反應(yīng)堆內(nèi)一次放好多捆兒。▼

核燃料“燒”過之后，也會變成渣渣，就像煤燒完變成煤渣似的。▼

這些“燒”過的核燃料就稱為乏燃料。

    2.乏燃料的存儲

剛出爐的乏燃料仍然是發(fā)熱的，這部分熱量稱為衰變熱，是由于衰變產(chǎn)物的β衰變。因此必須給乏燃料降溫，降溫方式有兩種，用水或者空氣。用水降溫就是放在水池內(nèi)，稱為濕式存貯。水池可以是人工建造的，也可以是利用巖洞內(nèi)的水池。▼

用空氣降溫的稱為干式存貯，世界各國已建成的干式儲存設(shè)施主要有空氣冷卻儲存室、干式混凝土容器、混凝土干井及金屬容器四種。▼

由于乏燃料不只是熱，還具有強烈的放射性，存儲過程中通過鋼板和混凝土將放射性屏蔽掉。否則一個個小粒子就像是變小的孫悟空，從身體穿過一次，就會干掉幾個細胞。▼

    3.乏燃料后處理

變廢為寶，循環(huán)利用，一直是可持續(xù)發(fā)展所倡導的。乏燃料內(nèi)也有很多值得利用的元素，因此就把它們那么晾著太可惜了，要對乏燃料進行后處理，取出有用的元素。首先來看一下，乏燃料里面有什么。

新的核燃料內(nèi)含有3%的鈾-235,97%的鈾-238。▼

而乏燃料內(nèi)的成分就復雜了，3%的高放射性水平的裂變產(chǎn)物，1%的鈾-235，1%的钚和95%的鈾-238。其中鈾和钚都是可以利用的元素。裂變產(chǎn)物中也有一些可利用的元素，鍶-90、銫-137和超鈾元素镎、镅和鋦等。▼

因此，要想回收利用這些可用元素，需要對乏燃料進行后處理。處理過程分為：冷卻、首端處理、分離與凈化。▼

冷卻，就是之前提到的放在大水池子內(nèi)降溫。

首端處理，開始像是切蔥花一樣，將乏燃料組件切割成小短段，然后將從包殼中裸露出來的燃料芯塊進行化學溶解。當然蔥花是在菜板上切，乏燃料是在水池底部遙控切割。▼

有時候僅僅切割還不能把包殼和燃料分離，這時候就需要用化學試劑將包殼溶解。溶解包殼和芯塊所用的化學試劑主要是硝酸。▼

乏燃料分離方法可分為水法和干法兩大類。

所謂水法，就是把乏燃料溶解在化學試劑中，濾掉渣渣，提取想要的元素。主要有：磷酸鉍流程、Redox流程、Butex流程、Purex流程等。迄今為止，工業(yè)化后處理廠采用的都是水法技術(shù)。而水法后處理的主導工藝是1949年由美國橡樹嶺國家實驗室發(fā)明的Purex流程。主要采用硝酸、磷酸三丁酯、煤油或正十二烷等化學試劑。▼

所謂干法，就是利用揮發(fā)、結(jié)晶等方法，不用硝酸等化學試劑，而是用液態(tài)金屬、熔鹽等。干法流程主要有：高溫冶金法、高溫化學法和氟化揮發(fā)法。▼

    4.乏燃料后處理中的廢料

盡管通過后處理技術(shù)可以將乏燃料中可利用的元素提取出來，但是在后處理過程中難免會產(chǎn)生一些核廢料，其中一些元素具有很強的反射性。

對于放射性廢氣的處理，主要方法是是對其進行凈化。對于放射性廢水的處理，就像湯太咸了，向里面加水一樣，進行稀釋，稀釋后經(jīng)過一系列化學處理后再做成固體。▼

對于放射性固體廢物的處理，主要是深地質(zhì)層處置，采用水泥、瀝青、塑料、玻璃、有機和無機涂料、金屬等包覆設(shè)備表面或整體，將放射性核素長期固定和封閉在固化體中，固化后存放到入深地層處置庫內(nèi)，使其與生物圈隔離。▼

比較著名的深地層處置庫為美國的尤卡處置庫，位于拉斯維加斯山谷西北80英里（130公里）處，內(nèi)華達州南部中心地區(qū)靠近與加利福尼亞州交界處的山脊線內(nèi)。▼

1987年，美國國會通過《核廢物政策法修訂案》(NWPAA)，指定尤卡山場址為唯一高放廢物處置庫候選場址。

2002年7月9日，由總統(tǒng)推薦并經(jīng)美國國會批準，尤卡山場址被確定為高放廢物地質(zhì)處置的最終場址。

2008年6月，在大幅拖延后，美國能源部向核管會遞交了長達8600頁的尤卡山處置庫建造許可證申請書。

2009年，奧巴馬在贏得選舉后，表示將削減2010財年尤卡山項目的全部撥款。

2010年3月3日，能源部正式向核管會提交申請，撤銷尤卡山處置庫建造許可證申請書。美國唯一的高放廢物地質(zhì)處置項目已經(jīng)正式終止。▼

    5.未來乏燃料的出路------嬗變

所謂嬗變，就是利用核反應(yīng)一種化學元素轉(zhuǎn)化成另外一種元素。例如將乏燃料內(nèi)長壽命的裂變產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成短壽命的。這個過程可以在加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng) (ADS)中實現(xiàn)。▼

      結(jié)束語：

“合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于累土；千里之行，始于足下。”盡管乏燃料的一些問題還有待解決，但是我堅信，隨著科學和技術(shù)的發(fā)展以及電站運行經(jīng)驗的積累，乏燃料的處理技術(shù)會越來越先進，越來越成熟，核能終將解決人類的能源問題。

本文轉(zhuǎn)載在中國核網(wǎng)